Wersja pdf do pobrania - Biuletyn Wydziału Farmaceutycznego

BIULETYN
Wydziału Farmaceutycznego
Warszawskiego Uniwersytetu Medycznego
Biul. Wydz. Farm. WUM, 2010, 3, 22-26
http://biuletynfarmacji.wum.edu.pl/
ARGLABINA – LAKTON SESKWITERPENOWY O WŁAŚCIWOŚCIACH
PRZECIWNOWOTWOROWYCH
Marta Grech-Baran, Agnieszka Pietrosiuk*
Katedra i Zakład Biologii i Botaniki Farmaceutycznej, Wydział Farmaceutyczny,
Warszawski Uniwersytet Medyczny, ul. Banacha 1, 02 097 Warszawa
* autorka korespondująca, tel. +22 5720982, e-mail: [email protected]
Otrzymany 19.04.2010; zaakceptowany 17.05.2010; zamieszczony 29.06.2010
STRESZCZENIE
W pracy przedstawiono aktualny stan wiedzy na temat biogenezy laktonów seskwiterpenowych oraz właściwości biologicznych i mechanizmu działania arglabiny, jednego z ważnych metabolitów z tej grupy. Arglabina
- [1(R),10(S)-epoksy-5(S),5(S),7(S)-gwaja-3(4),11(13)-dien-6,12-nolid], należy do grupy laktonów seskwiterpenowych o szkielecie typu gwajanolidu. Występuje w kilku gatunkach z rodzaju Artemisia (Asteraceae). Po raz
pierwszy związek ten wyizolowano i oznaczono w kwiatach i liściach gatunku Artemisia glabella Kar. et Kir.
Badania biologiczne wykazały silne właściwości przeciwzapalne, a przede wszystkim przeciwnowotworowe arglabiny.
SŁOWA KLUCZOWE: Artemisia, laktony seskwiterpenowe, arglabina, aktywność biologiczna, aktywność przeciwnowotworowa
ABSTRACT
ARGLABIN - SESQUITERPENE LACTONE REVEALING ANTITUMOR ACTIVITY
This review highlights the present state of knowledge on the biogenesis of sesquiterpene lactones, in particular biological activities and mechanism of action of arglabin, one of the important metabolite of this group.
Arglabin - [1(R),10(S)-epoxy-5(S),5(S),7(S)-guaia-3(4),11(13)-dien-6,12-nolid], represents sesquiterpene gamma-lactones of the guaianolides type. This compound occurs in a few species from Artemisia (Asteraceae)
genus. It was originally isolated from the flowers heads and leaves of Artemisia glabella Kar. et Kir. Biological studies showed strong anti-inflammatory, but predominantly antitumor activity of arglabin.
KEYWORDS: Artemisia, sesquiterpene lactones, arglabin, biological activities, antitumor activity
1. Wprowadzenie
z którego pozyskano arglabinę. Ponadto jest on źródłem
związków flawonoidowych i olejku eterycznego. Podobne
składniki wykazujące aktywność biologiczną zawiera drugi
z wymienionych gatunków A. myriantha występujący w
Azji [1,2,3,4]. W Polsce rośnie dziesięć gatunków z rodzaju
Artemisia (z rodziny Asteraceae), z których Artemisia absinthium uważana jest za roślinę leczniczą.
W pracy zebrano i przedstawiono aktualny stan wiedzy na temat biogenezy laktonów seskwiterpenowych oraz
właściwości biologicznych i mechanizmu działania arglabiny.
Laktony seskwiterpenowe należą do grupy metabolitów wtórnych o dużym znaczeniu w chemotaksonomii roślin
z rodziny Asteraceae (Astrowatych). Sporadycznie są spotykane w rodzinach Apiaceae, Magnoliaceae, Lauraceae,
Winteraceae, Illiaceae, Aristolochiaceae, Menispermaceae,
Cortiariaceae i Acanthaceae. W ciągu ostatnich trzydziestu
lat setki nowych laktonów seskwiterpenowych zostało zidentyfikowanych w wielu gatunkach roślin należących do
rodziny Asteraceae. Laktony seskwiterpenowe zlokalizowane są we włoskach gruczołowych występujących na liściach, w kwiatach i nasionach roślin. Obok różnych typów
pochodnych acetylenowych uważane są za najbardziej użyteczną grupę związków w biochemicznej systematyce tej
rodziny. Są to substancje bezbarwne, rozpuszczalne w
tłuszczach, alkoholach lub wodzie. Wiele z nich wykazuje
aktywność biologiczną. Przykładem laktonu seskwiterpenowego o działaniu przeciwzapalnym i przeciwnowotworowym jest arglabina (Ryc. 1). Pod względem chemicznym
jest to [1(R),10(S)-epoksy-5(S),5(S),7(S)-gwaja-3(4),11(13)dien-6,12-nolid]. Dotychczas związek ten zidentyfikowany
został tylko w dwóch gatunkach: Artemisia glabella Kar. et
Kir. oraz Artemisia myriantha Wall. ex Bess. Artemisia glabella jest endemiczną byliną występującą w centralnej części Kazachstanu. Jest to pierwszy gatunek,
O
9
10
8
1
2
3
5
4
7
6
O
11
12
O
Ryc. 1. Cząsteczka arglabiny.
2. Biogeneza laktonów seskwiterpenowych
Laktony seskwiterpenowe stanowią liczną grupę związków
zbudowanych z pięciowęglowych jednostek prenylowych –
pirofosforanu izopentenylu i jego izomeru - pirofosforanu
22
M. Grech-Baran, A. Pietrosiuk /Biul. Wydz. Farm. WUM, 2010, 3, 22-26
dimetyloallilu. Jednostki te powstają z acetylokoenzymu A
poprzez etap kwasu mewalonowego. Kluczowym związkiem
w biosyntezie seskwiterpenów jest trans, transpirofosforan farnezylu, który powstaje na drodze kondensacji liniowej trzech jednostek prenylowych. W wyniku cyklizacji trans, trans pirofosforanu farnezylu powstają seskwiterpeny o szkielecie germakranowym, które są prekursorami dla większości laktonów występujących w rodzinie
Asteraceae. Dalsze modyfikacje to wprowadzenie grup
karboksylowej i hydroksylowej, oraz laktonizacja z wytworzeniem γ-laktonów. Prekursory germakranowe, przed jak i
po laktonizacji mogą ulegać strukturalnym modyfikacjom,
takim jak: cyklizacja, rozerwanie pierścienia, przemieszczanie się grup metylowych czy też podwójnych wiązań,
prowadzącym do powstania laktonów seskwiterpenowych o
różnych szkieletach węglowych [5,6].
Biogenezę laktonów seskwiterpenowych po raz pierwszy przedstawił Herz [7] grupując je w oparciu o budowę
ich szkieletów węglowych w czterech kolumnach reprezentujących kolejne etapy biogenezy (Ryc. 2). W pierwszym
etapie biogenezy powstają germakranolidy. Wywodzące się
z nich lub ich nielaktonowych prekursorów eudesmanolidy
i gwajanolidy, powstają w drugim etapie biogenezy w wyniku jednej modyfikacji pierścienia węglowego. Eudesmanolidy i gwajanolidy są następnie produktami pośrednimi w
biosyntezie pozostałych typów szkieletów węglowych. Do
głównych typów laktonów seskwiterpenowych sklasyfikowanych na podstawie budowy szkieletów węglowych zaliczmy: germakranolidy, gwajanolidy, pseudogwajanolidy,
eudesmanolidy, eremofilanolidy i ksantanolidy.
Arglabina (Ryc. 1) należy do grupy laktonów typu
gwajanolidu, które stanowią największą z grup spośród laktonów występujących w Asteraceae.
3. Właściwości biologiczne i mechanizm działania arglabiny
Seskwiterpeny wykazują różnorodną aktywność biologiczną. W tej licznej grupie występują związki działające:
bakteriobójczo, przeciwzapalnie, żółciopędnie, przeciwpasożytniczo, przeciwgrzybiczno, immunomodulująco a także
alergizująco [8] oraz substancje działające przeciwkrwotocznie i przeciwnowotworowo [2,3,5,9,10].
Do znanych z aktywności przeciwnowotworowej i cytotoksycznej laktonów seskwiterpenowych z zalicza się ridentynę, kaninę, arglabinę, α-santoninę, wulgarynę
oraz ludowicynę (Tabela 1) .
O
CO
O CO
Elemanolidy
Seco-eudesmanolidy
O
O
O
CO
O CO
O CO
Germakranolidy
O
Bakkenolidy
Eremofilanolidy
Eudesmanolidy
O CO
CO
O CO
Ambrozanolidy
Kodinanolidy
O CO
Seco-ambrozanolidy
O CO
Gwajanolidy
Ksantanolidy
O
O
CO
CO
O CO
Seco-germakranolidy
Helenanolidy
Seco-helenanolidy
O CO
Chrymoranolidy
Ryc. 2. Schemat biogenezy laktonów seskwiterpenowych
23
M. Grech-Baran, A. Pietrosiuk /Biul. Wydz. Farm. WUM, 2010, 3, 22-26
Tabela 1. Laktony seskwiterpenowe z rodzaju Artemisia o aktywności przeciwnowotworowej i cytotoksycznej.
Związek
Germakranolid
Ridentyna
Gwajanolidy
Kanina
Arteglazyna-A
Arglabina
Arglabina
Kanina
Eudesmanolidy
α-Santonina
Wulgaryna
Ludowicyna
Gatunek
Piśmiennictwo
Artemisia sp.
[6]
Artemisia cana
Artemisia douglasiana
Artemisia glabella
Artemisia myriantha
Artemisia albida
[6]
[6]
[1,2]
[3]
[5,10]
Artemisia sp.
Artemisia vulgaris
Artemisia ludoviciana
[6]
[6]
[6]
Arglabina wykazuje silne właściwości przeciwzapalne,
ale przede wszystkim przeciwnowotworowe. Mechanizm
działania przeciwnowotworowego arglabiny wynika z
budowy jej cząsteczki (Ryc. 3). Działanie to warunkuje
obecność grupy α-metyleno-γ-laktonowej [5].
Podobnie w grupie eudesmanolidów występują związki hamujące enzym fosfofruktokinazę zawierający wiele grup
hydrosulfidowych (–SH).
Od czasów wyizolowania i poznania struktury arglabiny, prowadzone są liczne badania mające na celu modyfikację cząsteczki w celu rozszerzenia i wzmocnienia działania tego związku. Opisano modyfikację pierścienia laktonowego prowadzącą do dibromometylenowych pochodnych
arglabiny, a w kolejnym etapie do bis-dibromometylenowych pochodnych (Ryc. 4) [13,14]. Enancjoselektywna synteza arglabiny przeprowadzona została po raz pierwszy w
roku 2007 przez badaczy niemieckich [12].
O
O
Ryc. 3. Fragment zawierający grupę α-metyleno-γ-laktonową.
H
O
O
O
O
Cl
O
O
Br
Br
O
O
O
O
H
Cl
Br
Przekształcenia tego typu mają na celu modyfikacje
w kierunku działania przeciwgrzybiczego. Doświadczenia
przeprowadzane na szczepach Aspergillus niger, Aspergillus flavus, Trichophyton mentagrophytos, Epidermophyton
flocossum oraz Penicillium citrinum wykazały aktywność
przeciwgrzybiczą badanego związku.
Podobne zastosowanie mają dichlorometylenowe pochodne (Ryc. 5) [15].
W celu wzmocnienia działania przeciwnowotworowego badane są także fosforowe pochodne laktonu (Ryc. 6)
[16].
H
H
O
Br
Br
Ryc. 4. Bromowanie cząsteczki arglabiny. Kolejno powstają
(1R,3S,4R,5R,6S,7R,10S,11R)–1,10-epoksy–4,5:11,13-dibromometano-gwaja-3-en-12,6-olid, oraz (1R,3S,4R,5R,6S,7R,10S,
11R)–1,10-epoksy–4,5:11,13-bis(dibromometano)gwaja-3-en12,6-olid.
O
H
O
Br
Z badań zależności aktywności biologicznej od budowy strukturalnej w grupie laktonów seskwiterpenowych
wynika, że obecność przy C11-C13 podwójnego egzocyklicznego wiązania sprzężonego z γ-laktonem odpowiada za
działanie cytotoksyczne tych związków [5]. Dodatkowo
obecność grup funkcyjnych, np. epoksydowej (arglabina),
hydroksylowej (1β,10α-dihydroksyarglabina) [11], nienasyconych ketonów przyłączonych do grupy α-metyleno-γlaktonu [5] może zmieniać reaktywność związku poprzez
modyfikacje nukleofilowości cząsteczki. Związki, które posiadają endocykliczne podwójne wiązanie dają niestabilne
połączenia addytywne z L-cysteiną i są nieaktywne. Laktony seskwiterpenowe, które zawierają w swojej strukturze
cyklopentenon charakteryzują się zwiększoną cytotoksycznością. Laktony posiadające tylko α,β-nienasycony ester
nie wykazują znaczącej aktywności biologicznej [5].
Laktony wykazujące aktywność biologiczną, np. arglabina, hamują enzymy komórkowe na drodze selektywnej
alkilacji typu Michaela poprzez łączenie z grupami sulfhydrylowymi wewnątrzkomórkowego glutationu lub Lcysteiny w środowisku słabo zasadowym.
O
O
O
H
Cl
Cl
O
O
CCl3
O
Cl
H
Cl
O
O
Cl
Cl
Ryc. 5. Chloropochodne arglabiny. Kolejno powstają (1R,3S,4R,5R,6S,7R,10S,11R)–1,10-epoksy–4,5:11,13dichlorometano-gwaja-3-en-12,6-olid, oraz (1R,3S,4R,5R,6S,7R,10S,11R)–1,10-epoksy–4,5:11,13-bis(dichlorometano)gwaja-3-en-12,6-olid.
24
M. Grech-Baran, A. Pietrosiuk /Biul. Wydz. Farm. WUM, 2010, 3, 22-26
białaczki P388 transformowanych myszom wykazały iż podawana w kilkukrotnych dawkach arglabina powoduje wysoką inhibicję DNA transformowanych komórek [18].
OH
O
O
P(OEt)2
O
O
H
P(OR)2
O
H
O
O
4. Wnioski
O
W związku z opisanymi właściwościami farmakologicznymi arglabina wydaje się być skutecznym związkiem
leczniczym w przypadku nowotworów Ras - zależnych. Istnieje tylko niewielka liczba doniesień na temat toksyczności tego związku w stosunku do zdrowych komórek gospodarza, dlatego też zachodzi potrzeba dalszych badań preparatu DMA-arglabiny. Zastosowanie technik biotechnologicznych stwarza możliwość uzyskania materiału roślinnego
wytwarzającego z dużą wydajnością laktony seskwiterpenowe o działaniu cytostatycznym również przez inne gatunki należące do rodzaju Artemisia.
O
R= Me (2), Et (3)
Ryc. 6. Pochodne fosforowe arglabiny.
Z fosfoorganicznymi pochodnymi związku wiązane są
duże nadzieje. Obecnie arglabina najsilniejsze działanie
wykazuje jako DMA-arglabina [17]. Tę pochodną uzyskano
dzięki addycji chlorowodorku dimetyloaminy do węgla C13
arglabiny i w takiej postaci związek został zarejestrowany
w Kazachstanie, Rosji i USA (Georgia) jako substancja
przeciwnowotworowa.
Dotychczasowe badania in vitro prowadzone były
głównie na komórkach białaczkowych P388 – linii limfocytów, J774.1 - linii makrofagów, linii komórek KNRK (K-Ras
transformowana
komórka
nerki
szczura)
i innych
[17,18,19]. W Kazachstanie związek ten stosowany jest ponadto w leczeniu raka jajnika i piersi in vivo.
Badania in vitro DMA-arglabiny wykazały nie tylko
wysoką aktywność cytotoksyczną, lecz również właściwości
inhibicji farnezylotransferazy - enzymu uczestniczącego w
wiązaniu białek Ras z błoną cytoplazmatyczną. Geny Ras
odgrywają znaczącą rolę w przewodzeniu sygnałów komórkowych, proliferacji i nowotworowej transformacji. Mutacje Ras, zwłaszcza genu N-Ras i K-Ras, biorą udział w patogenezie ludzkich nowotworów, w tym także białaczek szpikowych [20].
Mutacje protoonkogenów Ras obserwuje się w wielu
typach nowotworów ludzkich. Onkogenne procesy prowadzą do wzmożonej aktywności białka Ras spowodowanej
jego stałym połączeniem z GTP i aktywnością GTP-azową.
Badania kinetyki cząsteczki arglabiny wykazują, iż jej pochodna fosforowa konkurencyjnie blokuje wiązanie farnezylodifosforanu do Ftazy – enzymu katalizującego proces
farnezylacji, będącym pierwszym etapem potranslacyjnej
modyfikacji białek Ras [21].
Ftaza modyfikuje białka poprzez przeniesienie pirofosforanu farnezylu (F) na cysteinę fragmentu CAAX (Ccysteina; A-aminokwas alifatyczny; X-dowolny aminokwas),
a następnie po odłączeniu fragmentu AAX i przyłączeniu
grupy karboksymetylowej powoduje zakotwiczenie cząsteczki Ras w błonie cytoplazmatycznej. Arglabina blokuje
przyłączenie się pirofosforanu farnezylu do ludzkiego białka H-Ras w IC50 nie większym niż 25 µM [19].
Testy wykazały również, iż cząsteczka przeciwdziała
proliferacji komórek KNRK, które nie podlegają zakotwiczaniu w IC50 = 10 μg/ml. W przypadku kolonii agarowych
zawierających transformowane komórki H-Ras i K-Ras IC50
wynosi od 2-5 μg/ml. W pierwotnych kulturach różnych
ludzkich komórek nowotworowych arglabina hamowała proliferację w stężeniu od 0,85 do 5,0 μg/ml [18].
W przypadku badań przeprowadzonych na linii makrofagów J774.1, arglabina wykazywała silną aktywność cytotoksyczną w niskich dawkach (0,125 - 1,25 µg/ml). Wywoływała znaczącą stymulację komórkowego metabolizmu,
dodatkowo również sekrecję cytokin IL-1, TNF - alpha, IL-2
[19]. Wyniki uzyskane z doświadczeń z użyciem komórek
WYKAZ SYMBOLI I SKRÓTÓW
Geny Ras - rodzina genów kodujących białka niezbędne do przekazywania sygnałów z otoczenia
do wnętrza komórki
Białka Ras - białka wykazujące zdolność wiązania i hydrolizy GTP, odpowiedzialne za przewodnictwo w obrębie komórki
GTP
- guanozynotrifosforan
DMA-arglabina - dimetyloaminoarglabina
KNRK
- K-Ras transformowana komórka nerki
szczura
BIBLIOGRAFIA
1.
Newman D.J., Cragg G.M. Natural Product as Sources of New Drugs
over the Last 25 Years. Journal of Natural Products 2007, 70, 461477.
2.
Adekenov S.M.,
Mukhametzhanov M.N., Kagarlitskii A.D.,
Kupriyanov A.N. Arglabin - A new sesquiterpene lactone from
Artemisia glabella. Chemistry of Natural Compounds 1982, 18 (5),
23-624.
3.
Ho-Fai W., Brown G.D. Germacranolides from Artemisia myriantha
and their conformation. Phytochemistry 2002, 59 , 529-536.
4.
Seidakhmetova R.B.,
Beisenbaeva A.A., Atazhanova G.A.,
Suleimenov E.M., Pak R.N.,
Kulyyasov A.T., Adekenov S.M.
Chemical composition and biological activity of the essential oil
from Artemisia glabella. Pharmaceutical Chemistry Journal 2002,
36, 135-138.
5.
Rodriguez E., Towers G.H.N., Mitchelli J.C. Biological activites of
sesqiterpene lactones. Phytochemistry 1976, 15, 1573-1579.
6.
Kisiel W. Laktony seskwiterpenowe w chemotaksonomii
Compositae. Wiadomości Botaniczne 1990, 34 (1), 13-18.
7.
Herz W., Heywood V.H., Harborne J.B., Turner B.L. The biology
and chemistry of the Compositae. Academic Press, London, 1977,
11, 337-338.
8.
Kisiel W. Laktony seskwiterpenowe o działaniu przeciwzapalnym w
roślinach leczniczych. Wiadomości Zielarskie 1995, 7/8, 24-25.37.
9.
Suleimenov E.M., Smagulova F.M., Morozova O.V., Raldugin V.A.,
Bagryanskaya I.Yu., Gatilov Yu.V., Yamovoi V.I., Adekenov S.M.
Sesquiterpene lactones and flavonoids from Artemisia albida.
Chemistry of Natural Compounds 2005, 41 (6), 689-691.
10. Suleimenov E.M., Raldugin V.A., Adekenov S.M. Anhydroaustricin
from Artemisia albida. Chemistry of Natural Compounds 2008, 44
(4), 541-542.
11. Adekenov, S.M., Turdybekov, K.M., Aituganoav, K.A., Lindeman,
S.V., Struchkov, Yu.T., Shaltakov, S.N. 1β,10α- dihydroxyarglabina new sesquiterpene lactone from Artemisia glabella. Chemistry of
Natural Compounds, 1993, 29 (6), 735-739.
12. Kalidindi S., Leong W.B., Schall A., Bandichhor R., Nosse B.,
Enantioselective synthesis of arglabin . Angewandte Chemie. 2007,
46, 6361-6363.
25
M. Grech-Baran, A. Pietrosiuk /Biul. Wydz. Farm. WUM, 2010, 3, 22-26
13. Dzhalmakhanbetova R.I., Kuliasov, Adekenow S.M., Raldugin V.A.,
Bagryanskaya Yu.V., Shakirov M. The 2nd International Conference
on Natural Products and Physiologically
Active Substances.
Novosibirsk. 2004, 64- 65.
17. Shaikenov T.E., Adekenov S.M., Williams R.M., Prashad N., Baker
F.L., Madden T.L., Newman R. Arglabin-DMA, a plant derived
sesquiterpene, inhibits farnesyltransferase. Oncology
Reports
2001, 8 (1),173-179.
14. Jalmakhanbetova
R.I., Atazhanova G.A., Raldugin V.A.,
Bagryanskaya Yu.V., Gatilov M., Adekenov S.M.. Crystal structure
of a tetrabromo derivative of cyclopropyldihydroarglabin and its
antifungal activity. Chemistry of Natural Compounds. 2006, 42 (3),
307-309.
18. Zhangabylov N.S., Dederer L. Yu., Gorbacheva L.B., Vasil`eva S.V.,
Adekenov S.M. Sesquiterpene lactone arglabin influences DNA
synthesis in P388 leukemia cells in vivo. Pharmaceutical Chemistry
Journal. 2004, 38, 651-653.
19. Bottex-Gauthier C, Vidal D, Picot F, Potier P, Menichini F,
Appendino G. In vitro biological activities of arglabin a
sesquiterpene lactone from the Chinese herb Artemisia myriantha
Wall. Biotechnol Ther. 1993,4 (1-2), 77-98.
15. Jalmakhanbetova R.I.,
Atazhanova G.A., Raldugin V.A.,
Bagryanskaya Yu.V., Adekenov S.M., Preparation and structure
elucidation of two minor products from reaction of arglabin with
chloroform in the presence of a crown ether. Chemistry of Natural
Compounds. 2007, 43 (5), 548-551.
20. Korycka A., Góra-Tybor J., Robak T. Farmakologia i perspektywy
klinicznego zastosowania inhibitora białkowej farnezylotransferazy
RI 15777. Acta Haematologica Polonica. 2001, 32, 4,367-374.
16. Jalmahanbetova R.I., Rakhimova B.B., Raldugin.V.A., Bagryanskaya
I.Yu., Gatilov V., Shakirov M.M., Kulyjasov A.T. Adekenov S.M.,
Tolstikov G.A. First synthesis of dialkyl phosphonate derivates of
sesquiterpene α-methylene-γ-lactone. Russian Chemical Bulletin,
International Edition 2003, 52, 748-751.
21. End D.W. Farnesyl protein transferase inhibitors and other
therapies targeting the Ras signal transduction pathway.
Investigational New Drugs. 1999, 17, 241-258.
26